Congestion Notification) и используется в сети Интернет (Ramakrishnan, 1988). Это усовершенствованный вариант ранних протоколов уведомления о перегрузке, в частности бинарной схемы обратной связи Ramakrishnan и Jain (1988), применявшейся в архитектуре DECNET. На информацию о перегрузке в заголовке пакета отводится два бита. В момент отправки пакет не имеет метки (рис. 5.23). При проходе через перегруженный маршрутизатор пакет получает отметку о перегрузке. После этого получатель передает эти сведения отправителю, добавив явное уведомление о перегрузке в следующий ответный пакет. На рисунке этот процесс показан пунктирной линией, чтобы показать, что он происходит над IP-уровнем (например, на уровне TCP). Далее, как и в случае со сдерживающими пакетами, отправитель должен начать регулировать трафик.

Рис. 5.23. Явное уведомление о перегрузке

Обратное давление на ретрансляционных участках

При больших скоростях передачи данных или при сильной удаленности хостов много новых пакетов может быть отправлено даже после передачи уведомлений о перегрузке, поскольку реакция на уведомление занимает некоторое время. Рассмотрим, к примеру, хост в Сан-Франциско (маршрутизатор A на рис. 5.24), посылающий поток данных на хост, расположенный в Нью-Йорке (маршрутизатор D на рис. 5.24), со скоростью OC-3 155 Мбит/с. Если у нью-йоркского хоста начнет кончаться буферная память, сдерживающему пакету потребуется около 40 мс на то, чтобы добраться обратно в Сан-Франциско и сообщить о том, что необходимо снизить объем трафика. Явное уведомление о перегрузке займет еще больше времени, поскольку оно доставляется через получателя. Распространение сдерживающего пакета схематично показано на второй, третьей и четвертой диаграммах рис. 5.24, а. За те 40 мс, пока этот пакет движется по сети, в сторону нью-йоркского маршрутизатора передается еще 6,2 Мбит данных, с которыми тоже надо как-то совладать. Только к седьмой диаграмме (рис. 5.24, а) маршрутизатор заметит начавшееся снижение потока.

Однако есть альтернативный метод, позволяющий бороться с этой проблемой. Он заключается в том, что сдерживающий пакет влияет на трафик каждого маршрутизатора, через который он проходит. Это показано на последовательности диаграмм на рис. 5.24, б. Как только сдерживающий пакет достигает точки F, поток данных от F в сторону D должен быть уменьшен. Таким образом, F резервирует для соединения большее количество буферной памяти: источник все еще продолжает заваливать это направление своими данными. Нагрузка на D мгновенно спадает, как головная боль у страдальца, рекламирующего по телевизору чудодейственные пилюли. На следующем шаге сдерживающий пакет, продолжая свой путь, достигает E и приказывает уменьшить поток в сторону F. В результате в течение какого-то времени точке E приходится выдерживать повышенную нагрузку, но зато мгновенно освобождается от своего бремени точка F. Наконец, победный марш сдерживающего пакета приводит его к источнику всех бед — точке A, и теперь поток снижается на самом деле.

Рис. 5.24. Сдерживающий пакет влияет только на источник (а); Сдерживающий пакет влияет на все промежуточные участки (б)

Результатом применения метода сдерживания трафика на ретрансляционных участках является максимально быстрое устранение перегрузки в самой горячей точке за счет использования большего объема буферной памяти промежуточных маршрутизаторов. Таким образом, перегрузка пресекается без потери пакетов. Эта идея обсуждается более подробно у Mishra и др. (1996).

5.3.5. Сброс нагрузки

Когда ни один из выше приведенных методов не помогает в борьбе с перегрузкой, маршрутизаторы могут ввести в бой тяжелую артиллерию — сброс нагрузки. Сбросом нагрузки называется простое игнорирование маршрутизаторами пакетов, которые они не могут обработать. Своим происхождением этот термин обязан системам электроснабжения, где он означает отключение в случае перегрузок отдельных участков во избежание выхода из строя всей системы. Обычно такое происходит в жаркие летние дни, когда спрос на электроэнергию многократно превосходит предложение.

Ключевой проблемой для маршрутизатора, заваленного пакетами, является выбор пакета, который будет отвергнут. Выбор может зависеть от типа приложений, использующих данную сеть. Для передачи файла более старый пакет ценится выше нового, так как отвержение пакета номер 6 и сохранение пакетов с номерами, например, с 7 по 10 лишь заставит получателя выполнить лишнюю работу: поместить в буфер данные, которые он еще не может использовать. Для мультимедийных приложений, работающих в реальном времени, напротив, новый пакет важнее старого. Причина в том, что пакеты становятся ненужными, если они задерживаются и не приходят вовремя.

Первую стратегию (старое лучше нового) часто называют винной стратегией, а вторую (новое лучше старого) — молочной стратегией, так как большинство людей предпочтут пить свежее молоко и выдержанное вино, а не наоборот.

Более разумные алгоритмы сброса нагрузки требуют участия отправителей. В качестве примера можно привести пакеты, содержащие сведения о маршрутизации. Эти пакеты значительно важнее обычных пакетов с данными, поскольку они устанавливают маршруты; если они будут утеряны, может пострадать связность сети. Другой пример — алгоритмы сжатия видеосигнала (например, MPEG), которые периодически посылают полный кадр, а последующие кадры представляют собой карты изменений относительно последнего полного кадра. В таком случае потеря пакета, содержащего разностный сигнал, не так страшна, как потеря полного кадра, так как от этого полного кадра зависят последующие пакеты.

Для реализации интеллектуальной стратегии выбрасывания части информации приложения должны помечать свои пакеты, сообщая сети об их важности. Тогда маршрутизаторы смогут сначала выбросить пакеты наименее важного класса, затем следующего за ним и т. д.

Конечно, при отсутствии стимула все будут помечать свои пакеты не иначе как ОЧЕНЬ ВАЖНО — НИ В КОЕМ СЛУЧАЕ НЕ ВЫБРАСЫВАТЬ. Предотвращение неоправданного использования таких отметок часто достигается за счет сетевых ресурсов и денежных средств. Например, сеть может разрешить отправителям пересылать пакеты с большей скоростью, чем указано в договоре на предоставление услуг, если пакет будет помечаться как низкоприоритетный. Такая стратегия весьма удачна, поскольку более эффективно использует свободные ресурсы, разрешая хостам пользоваться ими, пока это никому не мешает, но не закрепляя за ними этого права.

Случайное раннее обнаружение

С перегрузкой гораздо проще начать бороться в тот момент, когда она только началась, чем дать ей развиться до критических размеров и потом думать, что делать в сложившейся ситуации. Это соображение приводит к интересной модификации идеи сброса нагрузки, при которой отвержение пакетов происходит еще до того, как все буферное пространство будет заполнено скопившимися необработанными данными.

Причина, по которой эта идея имеет смысл, состоит в том, что большинство интернет-хостов узнают о перегрузке не через явные уведомления. В действительности единственным достоверным сигналом о перегрузке сети служит утеря пакетов. Трудно сконструировать такой маршрутизатор, который не удалял бы пакеты при перегрузке. Реакцией транспортных протоколов наподобие TCP на утерю пакетов при перегрузке является ответное снижение трафика от источника. Обоснование такой логики состоит в том, что TCP предназначен для проводных сетей, которые по сути своей являются очень надежными, и потеря пакетов в них чаще всего сигнализирует о переполнении буфера, а не об ошибках передачи. Чтобы TCP работал эффективно, беспроводные линии связи должны справляться с ошибками передачи на канальном уровне (так, чтобы на сетевом уровне они были не видны).